CN114567098B - 一种复合永磁体多齿磁通切换电机 - Google Patents

一种复合永磁体多齿磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合永磁体多齿磁通切换电机，包括定子模块和转子模块，转子模块中部固接有转轴，定子模块包括环周设置的多个定子极以及绕制在定子极上的电枢绕组，定子极开设有多个定子槽，使定子极上包括多个定子导磁齿以及分别设于各定子槽内的5块永磁体，其中两块永磁体的充磁方向为径向向里充磁，其中一块永磁体的充磁方向为径向向外充磁，另外两块永磁体的充磁方向为切向相对充磁。本发明在定子模块上采用特殊的永磁体排布，在保证电机高转矩密度的同时，减少永磁体的使用，降低电机的成本，提高永磁体的利用率。

Description

一种复合永磁体多齿磁通切换电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，尤其涉及一种复合永磁体多齿磁通切换电机。
背景技术
在电能已经成为最广泛能源的今天，电机作为一种实现机电能量转换的装置，在各个领域以及人们的日常生活中都发挥着不可替代的作用。同时，随着电力电子技术、数字控制芯片技术、新材料技术的发展以及新型电机结构的发明，电机及其控制系统在能源、交通运输和工业自动化等领域的应用越来越广泛。尤其是上世纪九十年代出现的磁通切换型永磁电机凭借无刷、免维护、转矩密度高，输出功率大、易于散热、鲁棒性高、适合高速运行等优点成为近年来发展迅速的一种新型电机，在航空航天、电动汽车等领域应用广泛。
在此基础上，为了进一步提升磁通切换电机的扭矩性能，多齿磁通切换电机被提出，由于多齿磁通切换电机能够有效地减少永磁体的使用，降低电机的成本，显著的增加单位永磁体所输出的转矩，因此在电动汽车等领域有着很大的潜力，目前已成为了当下研究的热点。但由于磁通切换型永磁电机大量采用永磁体，易出现永磁体退磁现象，而且极大地增加了电机的成本；另一方面，永磁体使用量过多，也使得电机工作时磁密处于过饱和转态，且靠近气隙的永磁体漏磁严重，永磁体的利用率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种复合永磁体多齿磁通切换电机，在定子模块上采用特殊的永磁体排布，在保证电机高转矩密度的同时，减少永磁体的使用，降低电机的成本，提高永磁体的利用率。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种复合永磁体多齿磁通切换电机，包括定子模块和转子模块，所述转子模块中部固接有转轴。所述定子模块包括环周设置的多个定子极以及绕制在定子极上的电枢绕组，其中定子极环周均匀设置有6个，所述转子模块包括53个转子导磁齿。在定子极上开设有多个定子槽，使所述定子极上包括多个定子导磁齿以及分别设于各定子槽内的5块永磁体。其中两块永磁体的充磁方向为径向向里充磁，其中一块永磁体的充磁方向为径向向外充磁，另外两块永磁体的充磁方向为切向相对充磁，具体地，定子极上的两块径向向里充磁的永磁体之间设置两块切向相对充磁的永磁体，两块切向相对充磁的永磁体之间设置一块径向向外充磁的永磁体。
根据上述技术方案，优选地，各所述定子极上设有9个定子槽和10个定子导磁齿，所述定子极上每隔一个定子槽设置一块永磁体。
根据上述技术方案，优选地，所述电枢绕组包括分别绕制在各定子极上的电枢线圈，两两相对的所述电枢线圈串联形成A相绕组、B相绕组和C相绕组。
根据上述技术方案，优选地，所述定子模块和转子模块均为凸极结构，定子模块和转子模块之间具有气隙，定子模块和转子模块均为直槽或斜槽结构。因此在电机工作过程中输出永磁转矩的同时，输出由于凸极效应产生的磁阻转矩，提高输出转矩密度。
本发明的有益效果是：
本发明在定子模块中开了多个定子槽，极大增加定子导磁齿的个数，有效的发挥出多齿磁通切换电机高转矩密度的优势，与此同时，在定子槽上采用特殊的永磁体排布，在具有高转矩密度的同时减少永磁体的用量、降低电机的成本，提高永磁体利用率，除此之外，本发明中的电机既可以做电动运行也可以做发电运行，具有较好的应用推广价值。
附图说明
图1是本发明的主视结构剖面图。
图2是本发明定子极部分的局部结构示意图。
图3为本发明的磁通切换电机穿过A相绕组的永磁磁链为上升为零时的工作原理示意图。
图4为本发明的磁通切换电机穿过A相绕组的永磁磁链正向最大时的工作原理示意图。
图5为本发明的磁通切换电机穿过A相绕组的永磁磁链为下降为零时的工作原理示意图。
图6为本发明的磁通切换电机穿过A相绕组的永磁磁链负向最大时的工作原理示意图。
图7为本发明的磁通切换电机正常运行穿过A相绕组的永磁磁链。
图8为本发明的磁通切换电机正常运行三相反电动势波形。
图9为本发明的磁通切换电机正常运行时的平均转矩。
图中：1、定子模块；2、电枢绕组；211、电枢线圈a；212、电枢线圈b；221、电枢线圈c；222、电枢线圈d；231、电枢线圈e；232、电枢线圈f；3、永磁体；311、永磁体a；312、永磁体b；313、永磁体c；314、永磁体d；315、永磁体e；4、转子模块；5、转轴；6、定子导磁齿；610、定子导磁齿a；611、定子导磁齿b；612、定子导磁齿c；613、定子导磁齿d；614、定子导磁齿e；615、定子导磁齿f；616、定子导磁齿g；617、定子导磁齿h；618、定子导磁齿i；619、定子导磁齿j；7、转子导磁齿。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
如图1所示，本发明包括定子模块1和转子模块4，所述转子模块4中部固接有转轴5。所述定子模块1包括环周设置的多个定子极以及绕制在定子极上的电枢绕组2，其中定子极环周均匀设置有6个，所述转子模块4包括53个转子导磁齿7。在定子极上开设有多个定子槽，使所述定子极上包括多个定子导磁齿6以及分别设于各定子槽内的5块永磁体3，本例中永磁体3上既无电枢绕组2也无励磁绕组，能有效避免因绕组发热而引起的永磁体3高温退磁。所述定子模块1和转子模块4均为硅钢片导磁材料，永磁体3为钕铁硼、钐钴及铁氧体等永磁材料。其中两块永磁体3的充磁方向为径向向里充磁，其中一块永磁体3的充磁方向为径向向外充磁，另外两块永磁体3的充磁方向为切向相对充磁，具体地，定子极上的两块径向向里充磁的永磁体3之间设置两块切向相对充磁的永磁体3，两块切向相对充磁的永磁体3之间设置一块径向向外充磁的永磁体3。
根据上述实施例，优选地，各所述定子极上设有9个定子槽和10个定子导磁齿6，所述定子极上每隔一个定子槽设置一块永磁体3，其中10个定子导磁齿6为一体结构形成“凸”形导磁齿。如图2所示，一个定子极中，沿逆时针方向，分别为定子导磁齿a610、充磁方向为径向向里的永磁体a311、定子导磁齿b611、定子导磁齿c612、充磁方向为切向朝逆时针的永磁体b312、定子导磁齿d613、定子导磁齿e614、充磁方向为径向向外的永磁体c313、定子导磁齿f615、定子导磁齿g616、充磁方向为切向朝顺时针的永磁体d314、定子导磁齿h617、定子导磁齿i618、充磁方向为径向向里的永磁体e315、定子导磁齿j619。各永磁体3和各定子导磁齿6沿定子圆周均匀分布，其中每相邻两块永磁体3中间隔着两个定子导磁齿6和一个定子槽。
根据上述实施例，优选地，所述电枢绕组2包括分别绕制在各定子极上的电枢线圈，两两相对的所述电枢线圈串联形成A相绕组、B相绕组和C相绕组。具体地，如图1所示，电枢绕组2中电枢线圈a211和电枢线圈b212串联组成A相绕组，电枢线圈c221和电枢线圈d222串联组成B相绕组，电枢线圈e231和电枢线圈f232串联组成C相绕组。电枢绕组采用集中绕组，有效减小了端部绕组长度，电机的每一相电枢绕组均具有互补特性，每相绕组中的两套线圈组中的永磁磁链的高次谐波，特别是偶次谐波可以互相抵消，优化了永磁磁链的正弦性，抑制了空载感应电势的谐波含量。
根据上述实施例，优选地，所述定子模块1和转子模块4均为凸极结构，定子模块1和转子模块4之间具有气隙，定子模块1和转子模块4均为直槽或斜槽结构。因此在电机工作过程中输出永磁转矩的同时，输出由于凸极效应产生的磁阻转矩，提高输出转矩密度。
工作原理如图3-图6所示，当转子运动到图3和图5位置时，穿过A相绕组的电枢线圈a211、电枢线圈b212的有效永磁磁链的和为最大值，但两者的永磁磁链方向相反，分别对应图7中的B点和D点，当转子位置运动到图4和6位置时，穿过A相绕组的电枢线圈a211、电枢线圈b212内的有效永磁磁链为零，分别对应图7中的A点和C点，转子运动过程中，循环依次经过图3-图6中的四个特殊位置。本发明的复合永磁体多齿磁通切换电机的A相绕组的永磁磁链如图7所示。由本发明的电机的三相永磁磁链可以得到电机的三相绕组的反电动势波形，如图8所示。
A相绕组、B相绕组和C相绕组中通入交流电流后，三相电枢绕组匝链的永磁磁链与电枢电流相互作用产生永磁转矩，永磁转矩和永磁体产生的齿槽转矩相加后得到本发明的电机在正常运行状况下的电磁转矩波形，如图9所示。
本发明在定子模块中开了多个定子槽，极大增加定子导磁齿的个数，有效的发挥出多齿磁通切换电机高转矩密度的优势，与此同时，在定子槽上采用特殊的永磁体排布，在具有高转矩密度的同时减少永磁体的用量、降低电机的成本，提高永磁体利用率，除此之外，本发明中的电机既可以做电动运行也可以做发电运行，具有较好的应用推广价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合永磁体多齿磁通切换电机，包括定子模块和转子模块，所述转子模块中部固接有转轴，其特征在于，所述定子模块包括环周设置的多个定子极以及绕制在定子极上的电枢绕组，所述定子极开设有多个定子槽，使所述定子极上包括多个定子导磁齿以及分别设于各定子槽内的5块永磁体，其中两块永磁体的充磁方向为径向向里充磁，其中一块永磁体的充磁方向为径向向外充磁，另外两块永磁体的充磁方向为切向相对充磁；
所述定子极上的两块径向向里充磁的永磁体之间设置两块切向相对充磁的永磁体，两块切向相对充磁的永磁体之间设置一块径向向外充磁的永磁体。
2.根据权利要求1所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，各所述定子极上设有9个定子槽和10个定子导磁齿。
3.根据权利要求2所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，所述定子极上每隔一个定子槽设置一块永磁体。
4.根据权利要求1所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，所述定子极环周均匀设置有6个。
5.根据权利要求4所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，所述电枢绕组包括分别绕制在各定子极上的电枢线圈，两两相对的所述电枢线圈串联形成A相绕组、B相绕组和C相绕组。
6.根据权利要求1至5中任意一项的所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，所述定子模块和转子模块均为凸极结构，定子模块和转子模块均为直槽或斜槽结构。
7.根据权利要求6所述一种复合永磁体多齿磁通切换电机，其特征在于，所述转子模块包括53个转子导磁齿。
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